Badanie powtarzalności pozycjonowania robota IRp-6

Transkrypt

1 Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych Badanie powtarzalności pozycjonowania robota IRp-6 opracował: dr inż. Paweł Cegielski Literatura uzupełniająca do ćwiczenia: 1. Cegielski P. Automatyzacja i robotyka w budowie maszyn Skrypt PW (Tempus), 1997r. 2. Honczarenko J. Roboty przemysłowe. Elementy i zastosowanie WNT, Warszawa 1996r. 3. Olszewski M. Manipulatory i roboty przemysłowe WNT, Warszawa Podręcznik programowania robotów IRp-6/10. ZAP Robotyka, Ostrów Wlkp. (do wglądu w laboratorium). 5. Żurek J. Podstawy robotyzacji. Laboratorium Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Norma PN-EN Roboty przemysłowe. Metody badania charakterystyk funkcjonalnych.

2 I. WPROWADZENIE NAPĘDY MASZYN MANIPULACYJNYCH DO AUTOMATYZACJI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH Zespół ruchu maszyny manipulacyjnej, takiej jak np. robot przemysłowy, składa się z szeregu elementów, wśród których najważniejsze układy to: napędowy i pomiarowy parametrów ruchu (rys. 10). Układ napędowy maszyny manipulacyjnej (rys. 2) odpowiada za przeniesienie energii zasilającej do zespołu ruchu i składa się z następujących, głównych urządzeń: - przemiennik pierwotnej energii zasilającej (układ zasilający), najczęściej elektrycznej, który zamienia ją na energię użyteczną, np. sprężone powietrze, obniżone napięcie itp., - wzmacniacz mocy (regulator), który odpowiada za sterowanie przepływem energii zgodnie z poleceniami układu sterującego, - element wykonawczy, którym może być zastosowany silnik napędowy, - przekładnia ruchu zmieniająca rodzaj lub ilość ruchu i przekazuje bezpośrednio do osi maszyny. Zespół ruchu maszyny manipulacyjnej Elementy tworzące parę kinematyczną Układ napędowy Układ pomiarowy parametrów ruchu - korpus - łożyska - osłony - itp. - układ zasilający - regulator (wzmacniacz mocy) - silnik napędowy - przekładnia ruchu - przetwornik pomiarowy - przekładnia pomiarowa Rys. 1. Zespół ruchu maszyny manipulacyjnej struktura. 2

3 Pierwotna energia Y Sygnały wejściowe Sygnał wyjściowy zasilania... (sterujące) (mechaniczny) Przemiennik Wzmacniacz Element Przekładnia energii mocy (regulator) wykonawczy ruchu Bezpośrednia energia zasilania X Rys. 2. Schemat blokowy układu napędowego maszyny manipulacyjnej. Jak widać na rys. 2, jest to układ otwarty, a ewentualne sprzężenia zwrotne realizował będzie układ sterowania, czerpiąc informacje z przetworników pomiarowych (czujników) parametrów ruchu i przenosząc je na sygnały wejściowe (sterujące). Ewentualne czujniki sprzęgane są mechanicznie w obrębie elementu wykonawczego czy przekładni ruchu, rzadziej bezpośrednio z osią maszyny manipulacyjnej. Ważne jest, w odniesieniu do systemów zautomatyzowanych, aby zastosowany system napędowy umożliwiał jak największy zakres przemieszczeń i prędkości ruchu, sterowanych z dużą dokładnością i powtarzalnością w całym zakresie. Z punktu widzenia wykorzystania na stanowiskach zrobotyzowanych, niezbędna jest możliwość automatycznego sterowania ruchami manipulacyjnymi wszystkich zainstalowanych osi. Jednocześnie należy pamiętać o innych, specyficznych wymaganiach stawianych tego typu napędom, z których najważniejsze to: wiele stopni swobody wiele napędów do instalacji i często równoczesnego sterowania, możliwość / łatwość sterowania parametrami pracy, praca ze znacznymi obciążeniami, duża dynamika zmiany obciążeń (przeważnie inercyjnych masowych), długotrwała praca w stanie bezruchu elementu roboczego, wymagana duża dokładność (powtarzalność pozycjonowania). Na rys. 3 zestawiono poszczególne rodzaje napędów stosowanych przy budowie przemysłowych maszyn manipulacyjnych, w tym robotów i manipulatorów. Z uwagi na zastosowany element wykonawczy (np. silnik) wyróżnia się: - napędy pneumatyczne liniowe bądź obrotowe, szybkie, niezawodne, tanie i proste w użyciu, ale o niskiej sprawność i braku możliwości sterowania prędkością oraz o ograniczonych możliwościach zatrzymywania w położeniach pośrednich. Stosuje się je głównie jako napędy przełączalne zderzakowo do realizacji prostych ruchów 3

4 ustawczych manipulatorów stałoprogramowych (przeważnie nie więcej niż dwie pozycje pracy). - napędy hydrauliczne (elektrohydrauliczne) liniowe bądź obrotowe o dobrych właściwościach dynamicznych, dużej sztywności i udźwigu, łatwe do sterowania, trwałe i odporne na przeciążenia, umożliwiają realizację zarówno ruchów ustawczych jak i roboczych. Duże rozmiary i masa oraz wrażliwość na zmiany temperatury i zanieczyszczenia ograniczają obecnie ich wykorzystanie do zadań pomocniczych ruchów ustawczych, napędu elementów spawalniczego oprzyrządowania montażowego itp. - napędy elektryczne przede wszystkim obrotowe, o małych gabarytach, wysokiej sprawności i momencie. Łatwość i precyzja sterowania pozwala na ich wykorzystanie do budowy tzw. serwonapędów, z precyzyjną kontrolą prędkości i przemieszczenia zespołu maszyny. Wymagają rozbudowanych zespołów przeniesienia napędu (przekładni ruchu), zwłaszcza redukujących obroty. Napędy elektryczne są wrażliwe na przeciążenia, zwłaszcza długotrwałe. Obecnie znajdują powszechne zastosowanie, zarówno do realizacji ruchów ustawczych jak i roboczych robotów przemysłowych i innych maszyn manipulacyjnych. Napędy maszyn manipulacyjnych (M i A) Pneumatyczny Hydrauliczny Elektryczny Siłownik linowy Siłownik obrotowy Silnik obrotowy Silnik liniowy Silnik obrotowy Silnik liniowy Siłownik wahadłowy Prądu stałego Prądu przemiennego Silnik skokowy Rys. 3. Rodzaje napędów przemysłowych maszyn manipulacyjnych. 4

5 Z punktu widzenia realizowanych funkcji, w maszynach manipulacyjnych stosowane są dwa rodzaje przekładni: zmieniające rodzaj ruchu, najczęściej obrotowego na postępowy (rys. 4) oraz przekazujących i/lub zmieniających ilość ruchu najczęściej redukcyjnych. Rys. 4. Przykład przekładni zmieniających rodzaj ruchu tu: z obrotowego na postępowy (od lewej: przekładnia śrubowa ( - toczna), zębatkowa i pasowa ( - zębata). Wśród przekładni przekazujących i/lub zmieniających ilość ruchu stosowne są przede wszystkim: mechanizmy dźwigniowe, przekładnie cięgnowe: - sztywne cięgna, - cierne (np. pasowe), przekładnie zębate redukujące: - walcowe, stożkowe,... - ślimakowe, - cykloidalne: planetarne, harmoniczne (falowe),.... Drugim, istotnym składnikiem zespołu ruchu maszyny manipulacyjnej, jest układ pomiarowy parametrów ruchu. Jego zadaniem jest dostarczanie regulatorowi / wzmacniaczowi mocy (rys. 2) informacji niezbędnych do realizacji funkcji sprzężenia zwrotnego serwonapędu. Mierzone wielkości to: o wartość położenia, prędkość dane uzupełniające, często wyznaczane pośrednio. przyspieszenie Na zespół pomiarowy składać się mogą następujące elementy: przetwornik pomiarowy (czujnik), przetwornik pośredniczący (opcjonalnie), 5

6 przekładnia pomiarowa (opcjonalnie). Na rys. 5 przedstawiono przykład kompletnej jednostki napędowej zastosowanej w robocie IRp-6 (napędy kiści - 4 i 5 ej osi). Oś układu kinematycznego (piasta z łożyskami) Przekładnia redukująca (harmoniczna) Element wykonawczy (silnik elektryczny) Przetwornik pom. przemieszczenia (enkoder) Przetwornik pom. prędkości (prądnica tachometryczna) Rys. 5. Przykład kompletnej jednostki napędowej robota IRp-6. Wśród elementów zespołu ruchu robotów przemysłowych szczególną uwagę zwraca się na rozwiązanie napędu kiści robota (ruchu lokalnego), mającego bezpośredni wpływ na stabilność pracy i powtarzalność pozycjonowania. Spośród trzech podstawowych koncepcji: systemu popychaczy, napędu bezpośredniego i przekładni łańcuchowych bądź pasowych, dwie pierwsze są korzystniejsze m.in. z uwagi na mniejsze luzy i większą sztywność. Na rys. 6 przedstawiono sposób realizacji poszczególnych ruchów robota IRp-6. Umieszczony wewnątrz ramion system popychaczy powoduje jednak znaczne ograniczenia zakresu ruchu poszczególnych osi robota. 6

7 Rys. 6. Realizacja ruchów robota IRp-6: a) dolnego ramienia (przekładnia śrubowo - toczna), b) górnego ramienia (przekładnia śrubowo - toczna), c) kiści (system popychaczy). DOKŁADNOŚĆ I POWTARZALNOŚĆ POZYCJONOWANIA ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO Dokładność i powtarzalność pozycjonowania robota przemysłowego ma decydujący wpływ na jakość i dokładność wykonywanych części w realizowanym przez robot procesie technologicznym. Powtarzalność pozycjonowania typowych konstrukcji robotów przemysłowych waha się w szerokim zakresie: ± 0,01 1,0 mm. Najwyższe dokładności możliwe są przede wszystkim wówczas, kiedy robot ma niewielki udźwig i zasięg, dzięki czemu możliwe jest zachowanie wysokiej sztywności układu. Według polskiej normy PN-EN 29283, charakterystyki dokładności i powtarzalności pozycjonowania określają różnice miedzy położeniem zadanym, a rzeczywistym oraz fluktuację położenia rzeczywistego serii powtarzalnych dojść do położenia zadanego. Powstałe błędy mogą być powodowane m.in. przez: układ wewnętrznego sterowania, 7

8 błędy transformacji współrzędnych, różnice wymiarów w strukturze węzłów przegubowych, model zastosowanego systemu sterowana, czynniki mechaniczne, takie jak luzy, histereza oraz tarcie, czynniki zewnętrzne takie jak np. temperatura. Istnieje wiele koncepcji wyznaczania powtarzalności pozycjonowania. Zgodnie z PN-EN 29283, dokładność pozycjonowania jednokierunkowego podaje odchyłkę między położeniem zadanym a wartością średnią położeń rzeczywistych przy dochodzeniu do położenia zadanego z tego samego kierunku. Ta sama norma definiuje powtarzalność pozycjonowania jednokierunkowego jako miarę rozrzutu położeń (lub orientacji) rzeczywistych uzyskanych w wyniku n-krotnie powtarzalnego ruchu o tym samym kierunku do położenia zadanego. W tabl. 1 przedstawiono warunki badania powtarzalności pozycjonowania jednokierunkowego zgodnie z PN-EN Niestety, w cytowanym źródle nie określono dokładnie metodyki i budowy stanowiska pomiarowego. Tabl. 1. Zestawienie warunków badania powtarzalności pozycjonowania jednokierunkowego (PN- EN 29283). Obciążenie Prędkość Położenia Liczba cykli 100% udźwigu nominalnego 50 udźwigu nominalnego (na życzenie) 100% prędkości nominalnej 50% i/albo 10 % prędkości nominalnej (na życzenie) 100% prędkości nominalnej (na życzenie) 50% i/albo 10 % prędkości nominalnej (na życzenie) P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 30 W pewnym uproszczeniu, powtarzalność pozycjonowania można wyznaczyć jako maksymalny błąd bezwzględny, uzyskany w serii pomiarów rzeczywistego położenia końcówki robota względem położenia zadanego. W tym celu należy wykonać trzy serie zaprogramowanych podejść (osobno dla kierunku X, Y i Z) zamocowanym na końcówce robota narzędziem wzorcowym do np. czujnika zegarowego. Powtarzalność pozycjonowania należy obliczyć zgodnie z poniższym wzorem: S p = ± (X max X min ) / 2 8

9 gdzie: S P - powtarzalność, X max maksymalna wartość pomiaru w serii, X min minimalna wartość pomiaru w serii, Inne podejście do wyznaczania powtarzalności pozycjonowania, opiera się na obróbce statystycznej wyników. Wartość średnią błędu oraz odchylenie średnie określa się na podstawie wykonanego testu statystycznego, np. testu t-studenta. II. PRZEBIEG I WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z metodyką pomiaru powtarzalności pozycjonowania robota przemysłowego oraz wykonanie serii pomiarów i obliczeń powtarzalności pozycjonowania robota IRp-6 dla wszystkich kierunków najazdu na czujnik pomiarowy. W ramach ćwiczenia studenci powinni samodzielnie uruchomić i przeprowadzić szereg pomiarów powtarzalności pozycjonowania robota przemysłowego IRp-6, zgodnie z procedurą zawartą w niniejszej instrukcji oraz informacjami przekazanymi przez prowadzącego ćwiczenie. BUDOWA STANOWISKA BADAWCZEGO panel programowania pulpit operatorski X wbudowany komputer PC z ekranem dotykowym układ sterowania robota pozycjoner Z Y ramię robota IRp-6 9

10 W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą następujące, główne urządzenia (na rys. zaznaczono kierunki układu odniesienia robota): manipulator robota IRp-6 o strukturze antropomorficznej (kątowej), udźwigu 6kg i powtarzalności pozycjonowania ± 0,2 mm, układ sterowania USR-6m z wbudowanym przemysłowym komputerem PC, pozycjoner o dwóch stopniach swobody (jedna oś sterowana) i udźwigu 50kg. Dodatkowe wyposażenie, związane z badaniem powtarzalności pozycjonowania robota, obejmuje (fot. poniżej): czujnik zegarowy z wysięgnikiem (zamocowany do stołu pozycjonera), końcówkę pomiarową (zamocowaną na końcu ramienia robota), obciążenie testowe robota (ok. 3 kg). PROCEDURA WYKONANIA ĆWICZENIA Obsługa stanowiska badawczego sprowadzać się będzie do uruchomienia i obsługi wcześniej napisanego programu testowego. W tym celu należy wywołać, poprzez ekran dotykowy wbudowanego w szafę sterowniczą komputera PC, tryb obsługa pamięci masowej (fot. poniżej). Po wpisaniu numeru programu (przekazanego przez prowadzącego), należy kolejno wykonać: Czytaj, do USR i START. Ramię robota ustawi się w pozycji wyjściowej. Dalsza obsługa prowadzona będzie w oparciu o pulpit operatorski podświetlany przycisk CYKL. 10

11 Badanie polegać będzie na wykonaniu trzech serii pomiarów, kolejno dla kierunków X, Y i Z (rys. na następnej stronie). W trakcie pomiarów ramię robota poruszać się będzie z ok. 50 % prędkości maksymalnej. Każdorazowo, po dojechaniu końcówki pomiarowej do czujnika zegarowego, nastąpi zatrzymanie ramienia robota i ciągłe zaświecenie przycisku CYKL. Podczas pierwszego w danej serii (X, Y lub Z) dojazdu końcówki pomiarowej do czujnika, należy go wyzerować. Podczas kolejnych dojazdów, należy odczytać wskazanie czujnika zegarowego. Potwierdzenie wyzerowania lub odczytu wskazań czujnika następuje poprzez przyciśnięcie przycisku CYKL. UWAGA po jego wciśnięciu nastąpi ruch ramienia robota. Wykonanie zadanej przez prowadzącego liczby cykli dla danego kierunku pomiaru sygnalizowane będzie pulsującym świeceniem przycisku CYKL. Przejście do kolejnej serii wymagać będzie zmiany położenia czujnika oraz powtórzenia jego zerowania dla pierwszego najazdu końcówki pomiarowej. Zmiana położenia czujnika zegarowego dla kolejnych kierunków pomiaru: - dla kierunku X ustawienie początkowe nie wymagające przestawienia, - dla kierunku Y zmiana automatyczna przez obrót pozycjonera, - dla kierunku Z wymagane przezbrojenie wysięgnika tylko prowadzący ćwiczenie! Sprawozdanie, sporządzone w oparciu o przekazany na zajęciach formularz, zawierać będzie wartości odczytane z czujnika zegarowego, spostrzeżenia na temat sposobu osiągania pozycji pomiarowych, niezbędne obliczenia oraz graficzne przedstawienie wyników badań. 11

12 12